机载卫星通信数字化试飞方法研究范文

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飞行试验是一项系统工程，代价大且风险性高。在对航空产品进行试飞期间，由于试飞场地、气象条件、飞行临界包线、试飞周期等各种限制因素影响，实际的飞行试验并不能充分验证各种限制条件下的战技指标。机载卫星通信试飞科目中，区域适应性试飞是研制总要求要求的试飞科目。该科目考核目的是给出卫星覆盖边缘保证通信的最大机动坡度，为后续部队使用提供参考。目前该科目实际实施过程中，存在当前区域保证通信的最大坡度状态点无法事先量化问题，只能通过试飞期间载机坡度小到大递增摸底进行试验，该摸底结论仅对当前试飞区域有效。针对该问题，本文对机载卫星通信区域适应性试飞开展数字化试飞试飞技术研究，首先介绍机载卫星通信系统的基本原理，在此基础上分析研究数字化试飞的可行性，最后基于STK平台进行数字化试飞验证，给出不同区域的机动飞行试飞最大机动角度。

机载卫星通信原理

机载卫星通信工作频率分别为K－above（简称：Ka）频段、K－under（简称：Ku）频段和UltraHighFrequency（简称：UHF）频段，其中UHF频段工作波长为米波，方向性图为倒圆锥形全向天线。Ka、Ku频段工作波长为毫米波，天线属于伺服天线，天线指向随载机运动状态实施更新。本文对Ku、Ka频段的卫星通信系统进行数字化试飞技术研究。Ku、Ka频段的卫星通信设备包括惯性导航设备、信道端机和伺服定向天线构成。其中机载惯性导航设备为信道端机提供载机的姿态信息（航向角、俯仰角、横滚角）和位置信息（经度、纬度），无线电高度表为信道提供高度信息。信道端机通过内部天线算法对当前的姿态和位置、高度信息进行实时解算得到卫星相对于载机航向的方位角和仰角，进而控制伺服天线的指向。其系统框图见图1。

系统建模

由机载卫星通信系统原理分析可知，系统数字化建模的可行性取决于载机的姿态、高度数据和天线算法等三个要素。其中姿态、高度数据可通过实际飞行的事后数据处理获得或者模拟数据获得。被试品伺服天线实时指向算法可通过坐标变换（地理坐标系到站心坐标系的转换，站心坐标系到机体坐标系的转换，机体坐标系到球面坐标系的转换）等效实现。为三维可视化载机的飞行状态和机载卫星天线与卫星的可达性，引入系统工具包（SystemToolKit，STK）。STK是由美国AnalyticalGraphics公司开发的航天领域的商业软件。近年来，随着功能模块的增加，该软件具备通信、电子战、航线规划、覆盖分析、雷达等演示验证功能。为准确复现实际任务，该软件为外部数据提供加载接口，譬如姿态数据、星历数据、天线方向性图数据、经纬高数据、环境噪声数据等。根据STK相关功能和卫星通信特点，对机载卫星通信进行数字化建模，建模框图见图2所示。

数字化试飞方法验证

针对该问题，利用3节介绍的数字化建模方法进行仿真验证，给出载机在卫星覆盖边界保证正常通信的最大可机动坡度。假定载机试飞场地分别在漠河、厦门、日喀则、三亚等地进行盘旋飞行。飞行高度为无线电高度为500m，坡度为40°。同步卫星经度为89°。试飞场景见图3所示。对STK软件进行二次开发获得载机在四地的飞行姿态数据和经纬高数据，通过开发的天线算法计算得到对应的天线方位和仰角指向信息。最后通过STK软件提供的外部数据接口将姿态、经纬高和天线指向数据载入试飞场景中，计算不同地域的机载卫星通信最大通信角度和天线动态指向信息。仿真结果见图4～图7。由图可知，载机40°盘旋飞行状态下，能够全程通信地区仅三亚，其他三地均存在中断现象。

结语

通过对机载卫星通信区域适应性数字化试飞研究并通过仿真验证，解决了卫星通信不同区域适应性试飞结论无法给出的难题。该方法是鉴定试飞的补充，不仅为飞行任务状态点的制定提供参考依据，而且为后续部队在不同地区保证卫星通信功能正常前提下载机最大机动角度提供参考。

作者：张鹏强 单位：中国飞行试验研究院